Page 60 - 《精细化工》2022年第10期

·1994· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

3 3D 打印气凝胶的应用 要高度复杂形状且能与被隔热对象紧密结合的定制
化隔热领域。而 3D 打印技术在复杂形状设计制备
传统模板法制备的气凝胶材料在诸多领域中有 中具有一定的优势，并且可以使得气凝胶材料具有
巨大的应用潜能，但是模板法制备的气凝胶材料的 精密复杂的结构和定制化生产的能力。目前，基于
力学性能难以应对后期的结构切割和裁剪，脆性和 挤出式打印的纯 SiO 2 [21] 及其复合 [22] 气凝胶都展现
力学强度不足，使其难以用在需要复杂形状和结构 了具有可与传统“溶胶-凝胶”法制备的 SiO 2 气凝胶
的应用场景中。因此，气凝胶的结构多样化显得尤 相媲美的超低热导率〔< 0.039 W/(m·K)〕。这些 3D
为重要，而 3D 打印技术的出现在结构上赋予气凝 打印气凝胶材料有望应用于电子元件的个性化隔热
胶材料可定制性，进一步拓宽了气凝胶材料在隔热、 防护，用来阻隔过高的工作温度对人体与环境的危
电子、生物等领域中的应用和发展。 害或者保护温度敏感器件。如图 7 所示，3D 打印
3.1 在隔热领域的应用 SiO 2 气凝胶具有出色的个性化设计能力（图 7a、b）
由于气凝胶是具有超低热导率的固体材料之 与优异的隔热性能（图 7c~e），可以用于发热组件
一，它们在航空航天、石油化工、建筑防护与军工 的精确隔热防护中 [22] 。但是，以 SiO 2 气凝胶为首的
国防等领域具有十分重要的作用，展现了其在隔热 3D 打印隔热气凝胶的机械性能尚有欠缺，难以应用
领域中的极高应用价值。但传统气凝胶产品形状单 到实际生活中，还需要研究人员探索能兼顾隔热和
一（多为气凝胶砖、气凝胶板），难以被应用到需 力学性能的 3D 打印隔热气凝胶材料。

图 7 3D 打印 SiO 2 气凝胶的个性化隔热防护性能及 3D 打印 SiO 2 气凝胶隔热罩的精密隔热安装演示（a、b）；气凝胶
块（厚度 12 mm）与 3D 打印气凝胶框架（厚度 10 mm）在 100 ℃的加热台上放置不同时间的光学和红外热成
像图（c、d）；不同气凝胶隔热罩冷端和热端的温度变化曲线（e） [22]
Fig. 7 Thermal insulation of 3D printed SiO 2 aerogels and application demonstration of precise marching installation of a 3D
printed aerogel heat insulation shield (a, b); Optical and infrared thermal images of the aerogel monolith (thickness:
12 mm) and 3D printed aerogel microgrid (thickness: 10 mm) on a 100 ℃ heating stage for different times (c, d);
Temperature evolution of the cold-side and hot-side surfaces of different heat insulation shields with time (e) [22]

3.2 在介电领域的应用 印多孔碳气凝胶和块状多孔碳气凝胶在低温（–70 ℃）
各种具备高比表面积、高电导率以及可压缩性 下的电容性能进行了对比，发现 3D 打印多孔碳气
的导电气凝胶，在介电领域中具有广阔的应用场景。 凝胶在低扫描速率（5 mV/s）下比电容高达 148.6 F/g，
YAO 等 [53] 以纳米纤维素与 SiO 2 微球复合凝胶为打 当扫描速率提升至 200 mV/s 时依然保持 71.4 F/g 的
印墨水，将打印后的凝胶框架经过冻干、炭化处理 高比电容，可达块状多孔碳气凝胶的 6.5 倍（图 8a）。
制成复合碳气凝胶，然后去除 SiO 2 ，并使用 KOH 另外，3D 打印气凝胶材料所具有的良好压缩性能也
进行活化处理制成具有多级多孔结构的 3D 打印碳 使其在传感 [54] 和摩擦纳米发电机 [55] 等领域中具有
2
气凝胶，其比表面积可达 1750 m /g。同时对 3D 打 独特的应用优势。比如：PENG 等 [28] 以 3D 打印石